elenlegi formájában a számítástechnika a szilíciumra épül. Ennek az anyagnak azonban megvannak a maga határai, így egyre sürgetőbb a technológiaváltás. Az egyik lehetséges jelölt a grafén. Magyar kutatók nemrég áttörést értek el ezzel az anyaggal, felfedezésüket pedig a világ egyik vezető szakfolyóirata közölte.
Az MTA Természettudományi Kutatóközpontjának Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Intézete (MTA TTK MFA) csillebérci épületének földszinti laborjában a legfeltűnőbb berendezési tárgy nem a milliókba kerülő elektronikus eszközök közül kerül ki. Ez egy egyszerű, fél méter széles, négyzet alakú márványlap, amelyet sarkainál három-három gumipók segítségével függesztettek föl. Feladata, hogy kiegyenlítse azokat az apró rezgéseket, amelyeket mi észre sem veszünk, de a laborban folyó tudományos munka eredményét teljesen tönkretennék. Amilyen egyszerű a rezgéscsillapító állvány, olyan bonyolult és drága a műszer, amelyet ráhelyeznek. Ez a pásztázó alagútmikroszkóp, amelyre fő szerep hárul a következő történetben. A kutatás tárgya pedig a grafén.
Több szempontból is különleges anyag a grafén. Például ez a világ legvékonyabb lemeze, hiszen vastagsága egyetlen szénatom. Mértékegységgel alig lehet kifejezni, vastagsága körülbelül 0,33 nanométer (a nanométer a milliméter egymilliomod része). Egy atomnál vékonyabb, valóban létező anyag elvileg is lehetetlen. Tudománytörténeti különlegessége pedig, hogy alig néhány évvel 2004-es felfedezése után máris Nobel-díjat adtak érte 2010-ben Andrej Geimnek és Konsztantyin Novoszjolovnak. A Nobel-díj odaítélésével éppen azért szoktak hosszú évtizedeket várni, hogy kiderülhessen: valóban helyes-e egy felfedezés, és tényleg akkora-e a jelentősége, mint amekkorának első látásra tűnt. A grafén jelentőségének bebizonyosodásához már hat év is elegendő volt. Az újonnan felfedezett anyag vizsgálatát pedig kutatók hada kezdte meg szerte a világon.
– Mi már 2006 óta, tehát szinte a grafén felfedezésétől kezdve kutatjuk ezt az anyagot. Előtte szén nanocsövekkel foglalkoztunk. Ezeket a csöveket úgy kell elképzelnünk, mintha hengeresen feltekert grafénlapok lennének, falukat ugyanolyan, hatszög alakban kapcsolódó szénatomok alkotják – mutatja a műanyag fóliára nyomtatott, majd összetekert méhsejtszerű rácsot Tapasztó Levente, a TTK MFA munkatársa, a kutatás egyik vezetője. – A nanocsövek vizsgálatához már megvoltak a tapasztalataink és az eszközeink, így természetes volt, hogy a grafénnal is foglalkozzunk.
A szén nanocsőszerkezete igencsak meghatározza a tulajdonságait, ezzel együtt behatárolja a benne rejlő lehetőségeket. A grafén ezzel szemben az atomok léptékében végtelen síknak tetszik, és ha képesek lennénk ezt a lemezt nanoskálán megmunkálni, tehát vagdosni, átalakítani, akkor ma még szinte beláthatatlan alkalmazási területei nyílnának meg előttünk. Furcsamód a grafén megmunkálására az a műszer bizonyult a legalkalmasabbnak, amelyet eredetileg a leképezésére használtak. Ebben az úgynevezett pásztázó alagútmikroszkópban egy elképesztően hegyes, alig néhány atomból álló csúcsban végződő tű tapogatja le a minta felületét úgy, hogy nem ér hozzá, csak elektronokkal bombázza. Ha nagyobb energiájú elektronokkal lőjük az anyagot, azok képesek lehetnek az atomok közötti kémiai kötések felbontására, így elvágják az anyagot. Bár először négy évvel ezelőtt vágták föl ily módon a grafént, mind a mai napig senki a világon nem volt képes túlszárnyalni ezt a pontosságot (pedig négy év a tudomány ilyen „forró” területein szinte az örökkévalóságnak felel meg). Ez azt jelenti, hogy a tényleges vágás pontossága mindössze néhány atom széles.
Évekkel ezelőtti eredményeikre külföldön is felfigyeltek, így egy dél-koreai kutatócsoport azzal kereste meg az MFA nanoszerkezet-osztályát, hogy Budapesten létesítenének közös kutatólaboratóriumot koreai finanszírozással. Ebben a laborban születtek azok az eredmények is, amelyek most bejárták a világsajtót. A membránszerű grafénlemezek megmunkálásához azonban először elő kellett állítani őket.
– A grafitkristályok az ókor óta ismertek. Felfedezői először úgy állították elő a grafént – amely a grafit egy-egy rétegének tekinthető –, hogy vettek egy grafitkristályt, ráragasztottak egy darab celluxot, majd letépték róla. A ragasztószalagon maradt anyag egy része egyetlen atomnyi vastag volt, és ez a grafén. Valójában szinte mindenki előállított már maga is grafént, hiszen a grafitceruza papíron hagyott nyomában is találhatók egyetlen atomnyi vastagságú részek – mondja Tapasztó Levente. – Ez az előállítási mód azonban nem felel meg a legtöbb alkalmazás számára, ezért manapság már úgy állítják elő a grafént, hogy egy ezer Celsius-fokra felfűtött kemencébe helyeznek rézfóliát, majd befújnak valamilyen széntartalmú gázt, például metánt. Az ott atomos szénre bomlik, és a réz felületén grafénként kristályosodik ki, mindössze egyetlen atom vastagságú folytonos réteget alkotva. Ezt az eljárást amerikai kutatók dolgozták ki három éve, észrevettük azonban, hogy a réz felületén a grafén gyűrött kissé, rajta hullámok keletkeznek.
Kiderült, hogy e jelenség oka abban keresendő, hogy a grafén szinte minden más anyagtól eltérő módon viselkedik, amikor változik a hőmérséklete. Ugyanis nem hőtágulása, hanem „hőzsugorodása” van: amikor felmelegszik, összehúzódik, és amikor lehűl, kitágul. Az alatta lévő rézlemez azonban a megszokott módon reagál a melegítésre. Ezáltal a grafén és a réz között mechanikai feszültség keletkezik, amely hullámokat hoz létre a grafénban. Bár elsőre ezek a hullámok kiküszöbölendő technológiai problémának tűnhetnek, a grafén majdani elektronikai alkalmazása szempontjából alapvető jelentőségűek lehetnek.
A grafén elektromos vezetőképességét ugyanis nagyon befolyásolják a gyűrődések. Persze a véletlenül létrejött, rendezetlen irányú fodrok semmire sem jók. Elméleti fizikai tanulmányok azonban azt jósolják, hogy ha szép periodikus gyűrődéseket tudnánk létrehozni a grafénban, akkor szabályozhatnánk a rajta áthaladó áramot, magyarul az elektronika alapvető elemeit, tranzisztorokat építhetnénk a segítségükkel.
– Ily módon úgynevezett tiltott sávokat hozhatnánk létre a grafénban. Ezek a lemez olyan részei, amelyek nem vezetik az elektromosságot, tehát félvezetőt hozhatunk létre belőle. A sík grafén ugyanis valamennyire mindig vezeti az áramot, teljesen „kikapcsolt” állapota nincs. Ez azonban hátrány az elektronikai ipar számára – magyarázza Tapasztó Levente. – Az ellenőrzött irányú hullámok létrehozásához nanoméretű árkokat tartalmazó felületre kell növesztenünk a grafént, majd mechanikai feszültséget indukálnunk benne. Már korábban is alkalmaztak hasonló eljárást a mikronos [a milliméter ezredrésze] mérettartományban, de ez nem volt alkalmas az elektromos tulajdonságok szabályozására. Feltételezték, hogy ennél sokkal kisebb hullámokra lesz szükség. És ezt sikerült nekünk megcsinálnunk.
Nem egyszerű dolog nanométeres árkokat létrehozni, de erre nem is volt igazán szükség. A megfelelően kezelt rézkristályok felületén ugyanis éppen ilyenek alakulnak ki. Amikor e kristályok felületén munkálták meg a grafént, az eredmény a kutatók legmerészebb várakozásait is felülmúlta. Bár még senki sem készített nanométeres nagyságrendű anyaghullámokat, a létrejött grafén fodrai még ennél is sűrűbben, egymástól 0,7 nanométeres távolságban jöttek létre. Ez a tény messzemenő következményekkel járt.
A klasszikus membránmechanika keretei között ez a jelenség nem értelmezhető, hiszen ehhez az anyag vastagságának elvileg kisebbnek kell lennie, mint egy atom.
– Ez lehetetlen lenne – mondja Tapasztó Levente. – Így egy amerikai kollégánkkal együtt ki kellett dolgoznunk a klasszikus mechanika kvantummechanikai kiterjesztését, hogy egyáltalán értelmezni tudjuk azt, amit találtunk.
Mindez szép, amolyan tudományos akrobatamutatványnak tűnik. Kétségtelenül lenyűgöző, hogy a tudósok már néhány atomnyi pontossággal tudják szabályozni az anyag szerkezetét. De ez önmagában nem indokolja, hogy miért érdeklődnek iránta ilyen sokan a tudományos közösségben. Röviden: mire jó ez az egész?
A hírekbe a grafén úgy került be mint a számítástechnika újabb, eljövendő forradalmasítója. Kétségtelenül megvan benne a lehetőség. A félvezetőiparnak mindeddig sikerült szakadatlanul gyorsítania a számítógépeket és miniatürizálnia a szilíciumalapú tranzisztorok méretét, így növelnie számukat és sebességüket. Ez azonban nem folytatható sokáig. Egyszerűen a szilícium alapvető fizikai tulajdonságai szabnak határt. A grafén ezzel szemben alkalmasnak tetszik arra, hogy még sokkal gyorsabb tranzisztorokat készítsünk belőle. Sok idő telik még el, míg megjelennek az első graféncsipek, de a magyar kutatók eredménye mindenképpen fontos lépés ebben az irányban. Vannak azonban a grafénnak sokkal közelebbi és kézzelfoghatóbb alkalmazási területei.
– A grafén nagyon jól vezeti az áramot, és ezzel együtt átlátszó. [Bár a fény 2,7 százalékát nem engedi át, ami egy atom vastagságú anyag esetében egész jelentős.] Így ideális lehet az érintőképernyők és a napelemek burkolására – mondja Tapasztó Levente. – Jelenleg erre a célra az indium–ón-oxid nevű vegyületet használják. Ennek egyik hátránya, hogy az indium hamarosan elfogy, a másik pedig, hogy nagyon törékeny. A grafén ezzel szemben hajlítható, nyújtható és egyszerű szénvegyületekből előállítható, így a jövőben összehajtható, flexibilis kijelzők és elektronikai eszközök alapanyaga lehet.
2012. szeptember 22.
